一种苹果自动定向输送机构的设计及仿真.doc

1、一种苹果自动定向输送机构的设计及仿真2、农机产品的安全性设计研究O  引言【研究意义】在计算机图像识别系统进行苹果分级时，分布的摄像头或相机采集苹果表面信息，通过计算机识别控制系统进行智能识别，水果的果梗、果萼在图像中的信息与水果的缺陷相似，摄像头采集到果萼、果梗部位的信息会造成误判。分布的摄像头或相机在一个方向要拍摄到完整的苹果表面信息需要一种苹果自动定向输送机构能很好地实现苹果在输送过程中的自动定向，且苹果在完成定向运动后绕苹果果萼、果梗所成轴线的旋转2。在水果检测系统中运用苹果自动定向输送机构能有效解决水果在线检测中对果梗、果萼的图像信息的误判，提高在线检测的效率。【前人研究进展】国内外分选机的输送系统大多采用辊子结构，从20世纪80年代初，国外已开始研究基于计算机视觉技术的水果分级系统，如美国的OSCARTM型和MERLIN型水果生产线就能实现对苹果、梨、桃等水果的等级分定及品质检测3。近年来，我国在利用计算机视觉系统对苹果品质的检测方面有了长足的发展。研究人员对此进行了大量的理论研究。【本研究切入点】Throop等91用的苹果定向机构需要苹果在完成定向后翻转，此种机构结构复杂、加工成本高且易出现苹果在翻转时出现滑落的现象。【拟解决的关键问题】苹果在信息采集前保证果梗与果萼的轴线位于垂直支撑环的水平面，完成自动定向后在摄像区内做绕果梗、果萼所成轴线旋转的运动。1  材料与方法1.1  苹果自动定向输送机构的工作原理1.1.1  定向输送装置结构与输送原理苹果自动定向输送机构主要包括链轮1、侧向摩擦带2、底部摩擦带3、定向壳4、链条5、轨道6、锥齿轮7（图1A），定向壳的结构，主要由支撑轮8、内果盘9、支撑环10、底部摩擦轮I1、链接键12构成(图1B)。定向输送装置由电动机通过皮带、链轮l提供动力，一部分动力通过一对锥齿轮7传输至侧向摩擦带2，另一部分动力传输给底部摩擦带3，摩擦带3带动底部摩擦轮做旋转运动。链条5通过连接键12与苹果定向壳4相连接，内果盘9左右两侧有四个支撑轮8夹在轨道6内，当链条5由于链轮l的转动发生移动时苹果定向壳在轨道6内循环运动。苹果在定向区I完成苹果的定向，在摄像区内完成苹果表面信息的采集。图l1.1.2苹果定向壳内果盘及支撑环的设计内果盘和支撑环是定向壳的关键部件（图1B），内果盘开有大孔且有倒角，并在一侧开槽，内果盘整体为楔形形状，下平面与内果盘底板相连接，楔形角向上翘起与输送水平面成夹角，支撑环表面与内果盘上表面平行，同样与输送水平面成夹角。内果盘内侧有倒角，在定向过程中增加了与苹果接触面积，使得苹果定位准确且苹果在定向过程中不易从定向壳上滑落，同时也满足了不同尺寸苹果的定向。由于支撑环上表面与水平输送方向有夹角，苹果在定向过程中始终倾斜依靠在侧向摩擦带上，增加了与侧向摩擦带的接触面积，使得苹果定位快速且准确。图11.1.3  苹果自动定位方法当苹果通过喂人装置输送至定向区时以任意的姿态落入苹果定向壳，此时底部摩擦轮与侧向摩擦带都在做旋转运动，底部摩擦轮外边缘高于支撑环的上表面，摩擦轮旋转的角速度为：苹果与底部摩擦轮、内果盘以及侧向摩擦带相接触，苹果受到底部摩擦轮的作用，其摩擦力产生力矩为M1，鸩使得苹果在垂直于输送方向的铅垂面内旋转；侧向摩擦带与苹果表面的摩擦力所产生旋转力矩为鸩，鸩使得苹果在垂直于输送方向的水平面内旋转。苹果在这两个力矩作用下，在内果盘内作旋转运动，当苹果的果梗与果萼的轴线都位于支撑环水平面竖直位置时，果梗与果萼凹陷的部分与底部摩擦轮失去接触，完成定向。左侧视图为苹果定向前状态，右侧视图为苹果完成定向后的状态。图2当定向好的苹果与定向壳一起进入摄像区时，定向壳底部摩擦轮与底部摩擦带脱离。由于支撑环上表面向上倾斜与侧向输送带的夹角小于900，使得苹果紧靠在侧向摩擦带上，并受到侧向摩擦带摩擦力的作用，苹果继续在垂直于输送方向的支撑环水平面内旋转。苹果随定向壳一起进入摄像区后，相机开始采集苹果表面信息，由于苹果只在垂直于输送方向的水平面内做旋转运动，且定向壳内果盘开槽一侧正对相机，相机能够采集到较完整的苹果表面信息的同时也避免了对苹果果梗、果萼部位的拍摄。1.2建立苹果自动定向输送机构动力学仿真模型在Solidworks环境下，建立了简化的定向输送模型，将建好的模型导人到ADAMS/ViewE101中，确定每个构件之间的运动关系并添加合适的约束、驱动和力。图31.2.1皮带的建模与柔性化由于Solidworks环境下建立的模型为刚体，Adams的理论也多用于刚体理论，ADAMS/View中柔性体是利用离散化的若干个单元的有限个节点的自由度来表示物体的无限多个节点的自由度，不适合建立带的模型。为了提高运动仿真的准确性，获得较为完整确切的运动学参数，将建立的刚体模型皮带柔性化。此处利用ANSYS软件生成皮带模态的中性文件MNF，导人到ADAMS/View中替换原来的刚性体皮带从而完成皮带的柔性化。将在Solidworks环境下建立的皮带模型存为X_T格式导人到ANSYS中，将导人的带模型在ANSYS软件环境下赋予材料特性，材料属性改为聚酰胺，然后对带模型进行网格划分、改变相应的参数生成MNF文件，再将生成的MNF文件导人到ADAMS/View的模型中，替换刚性皮带，完成皮带的柔性体化。1.2.2施加驱动、约束和力苹果自动定向输送机构开始工作时，侧向摩擦带在作旋转运动，添加旋转副，苹果定向壳以一定的速度沿着苹果输送的方向运动，底部摩擦轮在定向区一直作旋转运动，添加旋转副。当苹果进入定向区由于重力的作用下落人定向壳内果盘与侧向摩擦带、支撑环、底部摩擦轮表面有接触，添加苹果与皮带、苹果与支撑环、苹果与底部摩擦轮的实体接触。2  结果与分析2.1  动力学仿真分析苹果果梗与果萼有凹陷，苹果果梗与果萼所成轴线为a。苹果以任意的姿态落入定向壳中，轴线a与X、Y、Z轴的夹角分别为。仿真中选取三种苹果落入定向壳前的位置，在这三种情况下，当苹果受到干扰力F的作用被推人到定向壳内。在苹果落人定向壳内果盘时苹果的姿态是任意的。第一种情况下，d=900，B=900，0=00；第二种情况下，仅=00，p =900，0=900；第三种情况下，仪=450，p=450，0 =450。仿真前在苹果表面上标记一marker点P，苹果在干扰力F的作用下落入定向壳内果盘中，在力、摩擦力偶距的作用下做旋转运动，显示苹果分别在位于位置1、位置2、位置3时在干扰力F的作用下落人到定向壳定向过程中，marker点P在Y方向的角速度曲线图及苹果质心在Y和Z方向的位移曲线图，X轴为时间，左侧Y轴为角速度，右侧Y2轴为位移。研究表明苹果在三种不同位置落人定向壳的仿真中，苹果质心点在Y轴方向上由于苹果落入定向壳有下落的短暂过程，位移出现明显的变化，在仿真到2s后都逐渐趋于稳定，苹果刚落入定向壳时质心点在Z方向上变化不大，在仿真2 s后趋于稳定。X方向为苹果输送的方向，苹果在Y、Z方向上位移不发生变动时，苹果即完成了定向。测量点P初始时Y方向的角速度很小，苹果在定向过程中角速度逐渐增大，在仿真2 s后趋于某个1501700deg/s，此时苹果完成果梗、果萼所成的轴线垂直于支撑环水平面的定向，并以一定的角速度沿果梗、果萼所构成的果轴匀速旋转。图463讨论国内外苹果分选机在利用计算机图像识别系统进行苹果分级时，需要对每个苹果采集多帧图片，不仅耗时长。而且对梗萼凹陷与苹果真实缺陷易于混淆而影响分级精度的问题，Throop等的用的苹果定向机构需要苹果在完成定向后翻转，此种机构结构复杂且易出现苹果在翻转时出现滑落的现象。研究介绍的苹果自动定向输送机构，苹果在完成定向后不用翻转，结构简化、实用、加工成本低，由动力学仿真分析苹果以不同的姿态落人到苹果定向壳完成定向需要2 s左右的时间。定向效果好，在完成自动定向后可以150一1700 deg/s的角速度沿果梗、果萼所构成的果轴匀速旋转，可以满足苹果在线监测的需求。4结论4.1通过运动仿真此种苹果自动定向输送机构可以很好地实现苹果在输送过程中的定向，解决水果在线检测中对果梗、果萼的图像信息的误判，提高在线检测的效率。4.2在ADAMS/View软件环境下仿真，苹果以不同的姿态落人定向壳后在定向区内能完成水果定向，使得果梗与果萼的轴线位于支撑环水平面竖直方向，在摄像区内能以一定的角速度绕果梗、果萼所成的轴线旋转。蒋维栋，王春耀，闵磊，谭露露（新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐830047）新疆农业科学2013，50(3)：马桂莲采集；俞美莲编译；张琴加工；姚利根、姚佳编辑上传；江洪涛审核。上海市农科院图书馆竭诚为您服务：免费提供农业资料！电话：021-62202916(24小时绑定手机)，邮箱：jhtsaas农机产品的安全性设计研究2014-05-28来源：分享到：0  引言农机产品具有实用、经济、方便、高效和灵活的特点，对提高农业生产率、减轻农民劳动强度、抢收粮食作物等具有不可替代的作用。但另一方面，据农业部农机事故统计数据显示，仅在2011年下半年，全国农机事故就达442起，造成人身死亡46人，受伤211人，直接经济损失超过214.78万元。随着我国农业机械化的不断发展，农机事故呈不断上升的趋势，究其原因，除了农机操作人员违反安全操作规程以外，还与农机产品在人机数据、操作面板、安全防护装置等设计上的不安全因素有关。为此，本文对农机产品的安全性设计进行了探讨。1  产品安全性产品的安全性是一个相对的概念，它与产品本身有关。一方面，一件带有安全隐患的产品本身就是诱发危险事故发生的重要因素；另一方面，对一件安全产品进行错误和不合理的操作同样存在很大的安全隐患。所以，产品的安全性必须要建立在产品本身安全以及操作者安全理解和操作的基础上。由此看来，只有使操作机具过程中诱发人的失误行为的外部环境因素得到有效控制，从而减少人的不安全行为，才能将事故的发生率降至最低。表1为机具操作过程中的不安全因素。在产品设计过程中，对安全因素的考虑是否周到全面、设计处理是否到位与产品最终安全性能的好坏有着直接的联系。待添加的隐藏文字内容12  农机产品的安全性设计要素2.1  人机数据农机具在野外作业的过程中，噪音、震动、油污和操作气候、环境等因素较为恶劣，加之操作员经过长时间的工作后身体机能开始下降，极易产生紧张和疲劳，生产效率下降，由此导致事故发生。为了解决此问题，首先农机的使用、维修、检测等操作行为要匹配操作员的生理和心理特点，在设计初期要充分的了解和测量农机具的使用范围和我国人体各部位适宜的尺寸操作范围，并能熟悉有关的人体测量数据性质和使用条件。例如，手扶拖拉机、旋耕机、微耕机和松土机等机具的最常见不安全问题发生在转向和连接方面。在田间地头，会经常看见操作员由于身体较矮，在做大幅度的扭转身体后，两只手臂都难以完成作业转向和操作的要求，导致不安全因素发生；联合收割机、玉米收获机等驾驶舱座椅的位置、观察窗口的尺寸、操作杆的大小和维修空间的形式等都要符合人的尺寸大小。这些因素主要的依据是对人体的生理和心理活动行为特征分析的结果和控制在人体适宜活动的数据范围中。图1所示为我国人体坐姿活动时肢体的调节范围。图2所示为人坐姿情况下手与脚的最大与最佳的操作空间，在此范围，可以安全、迅速、准确地操作。2.2操作面板大型农机设备由于功能强大，其机械结构、动力装置、操作控制就相对复杂，从而使得操作控制界面上布置着不同的按钮、拉杆、仪表等仪器。繁琐无序、大小不一、布满外文的控制面板极易导致操作员由于使用不便和认知上的障碍，按照实用经验主义操作机具，无视安全操作规程或要求，导致出现突发事故H。科学合理的操作界面不仅简单明了、通俗易懂，而且其使用指示上具有很强的引导性，不仅提高作业效率，更能保障人员操作和机具机械运转的安全性。操作面板是操作员与机械装置有效联动的主要界面，其操作界面视觉倾角的大小、显示效果、按钮的摆放位置以及操作台上操纵杆的大小、排列等对于操作员观测和使用是否合理、舒适、高效、无认知障碍有着重要的影响。在具体布局时，由于农机产品种类繁多，因此不能一一限定，但基本的原则是：操作面板显示设计应以人接受信息的视觉、听觉、触觉主特性为根据，保证操作者迅速而正确地获得需要的信息（见图3）；显示和操作的精确程度应与人的辨认特性和系统要求相适应，不宜过低，也不宜过高；操作面板上的操作种类和数目不能过多，同样的参数应尽量采用同一种方式；面板上显示的格式应简单明了，显示操作的预结果应用图案式给予表明，以利于操作者迅速接受信息，正确理解和判断信息；面板的指针、刻度、标记、字符等与刻度盘之间在形状、颜色、亮度等方面应保持合适的对比关系，以使目标清晰可辨；操纵杆的排列、运动方向应在空间关系、运动关系与操作员日常生活中的惯性活动一致，运动方向应相同，操纵机构一般都安排在操作手的主操作区域，机构的操作力度、运动方向、范围角度也应和操作者的使用习惯保持一致，如前进、后退、左右旋转等。由图3可知，仪表板与视野中心偏离时，无差错认读时间的变化。其中：0为视野中心，I为最优区，为边缘区，曲线1为对仪表板左部的仪表认读时间。安置在仪表板第二区左侧的仪表无差错认读时间，比左右相对称的仪表认读时间增长得较为急剧，这是由于视觉系统机能不对称的缘故。视距范围是指人的眼睛观察操纵指示器的正常距离一。一般认为：700ram为最佳视距；过远和过近都会使人的辨认速度和准确性降低；最大视距约为760ram，最小视距为300ram。2.3安全防护装置防护装置是机械设备的一个构成部分，其主要功能是通过物体障碍式的方式提供安全防护，如机壳、盖、罩、屏、门和封闭式装置等。防护装置可以单独使用，也可以和机械联锁装置一起使用。防护装置对于农机的安全性使用极为重要。在农机具作业的地方经常会看见刀具、齿轮、皮带等裸露在外面，一旦操作者大意或误操作，就会造成拖入、夹住、挤压和铲削等巨大危险，后果难以想象。例如，在农村极为广泛的粉碎机和脱粒机，由于防护装置设计不合理，在送入秸秆或藤条时极易导致上肢缠人进料口；而现有进料口为了提高效率而设计成宽大式结构，加上进料口较短，使得手臂卷入，造成灾难性事故。在操作员作业的过程中，失误是难以避免的，但是一次小小的失误不应该出现灾难性事故引。这就要求在防护装置上一定要考虑到操作的容错性。容错性的设计可以降低危险性、增强安全性，即使出现了误操作，也应该把危险程度降到最低。在安全防护中，除了采取安全装置和防护装置以外，阻挡式或障碍式设计装置设计也较为广泛和有效。虽然阻挡式装置强化了导致危险操作区的障碍性，但不能完全防止危险操作行为的发生，只是可以降低危险动作的发生概率。3  总结农机产品的安全是现实情况下十分突出的问题，农机事故一旦发生，其危害性十分巨大。保障农机使用过程中的安全性是农机设计开发方面最基本的前提，也是现代“人性化”产品设计的基本要求。随着农业机械机电一体化的不断发展以及生产效率的不断提高，农机结构会更为复杂，农机的安全性、可靠性问题也将十分突出。通过在研发前期进行减少事故发生的有效设计显得尤为重要，最终的目的是实现农机作业的安全性。叶振合1，李  鑫2（1河北农业大学机电工程学院，河北保定071001；2河北科技师范学院艺术学院，河北秦皇岛066000）2013年6月农机化研究第6期马桂莲采集；俞美莲编译；张琴加工；姚利根、姚佳编辑上传；江洪涛审核。上海市农科院图书馆竭诚为您服务：免费提供农业资料！电话：021-62202916(24小时绑定手机)，邮箱：jhtsaas